近年来，模拟人类皮肤特性的柔性应变传感器引起了极大的关注，其在运动监测、人机交互等领域的应用得到了证明。通常将灵敏度和监测范围作为评估应变传感器传感性能的主要参数，然而受制于导电网络的固有性质，高灵敏度和宽监测范围之间被认为是互相矛盾的。此外，柔性传感器在长期使用过程中容易产生破损，如何模拟人类皮肤将的高伸展性、全范围运动响应和自修复能力集成于一个应变传感器中，仍然是一个巨大的挑战。

  近日，天津工业大学杨光教授/闫静副教授/庄旭品教授设计了一种层级结构的碳纳米纤维（CNF），结合高弹性动态聚氨酯（PU）基材，开发了具有优异传感性能和自主自修复能力的类皮肤应变传感器。通过调控碳纳米纤维的取向：从高度定向逐渐变化至随机取向，使得传感器兼具高灵敏度和宽响应范围。同时，基于二硫键和氢键的动态特性，受损的传感器在室温环境能够实现自主自修复，而在自然太阳光可以加快自修复速度及效率，大幅延长了传感器的使用寿命，从而意味着其在智能可穿戴应用中具有较大的潜力。

图1 CNF/PU传感器的制备、结构、柔性及导电性

  本工作采用聚丙烯腈（PAN）配置静电纺丝前体溶液，通过连续调节滚筒收集器的旋转速度，控制纳米纤维取向：从高度定向逐渐转变为随机取向。纳米纤维膜碳化后获得层级CNF膜，并用自修复PU封装得到类皮肤传感器。碳化前后的SEM图像表明，纳米纤维的各级层级结构及取向度得到了完整保留，同时CNF膜及其传感器展示出良好的柔性和导电性。

图3 CNF/PU传感器的传感性能

  CNF/PU应变传感器展示出优异的柔性和拉伸性能，低拉伸应力大大减弱了使用者的佩戴不适感，高断裂伸长则有助于传感器在应对复杂弯曲或拉伸时不易出现损伤。此外，良好的回弹性保证了传感信号稳定和可重复性。层级CNF膜兼具了高度定向和随机取向CNF的传感特征，因此层级CNF应变传感器集成了高灵敏度和宽传感范围的优点，使其在70%应变时仍能以高灵敏度（GF = 90）正常工作。除了高灵敏度和宽传感范围，CNF/PU应变传感器同时展现出良好的重复性、响应时间以及耐久性。

图4 CNF/PU传感器的自修复性能及其自修复机理

  与需要外部刺激的自修复不同，本工作合成的动态PU在室温条件下即可实现自主自修复。在室温环境中传感器自修复24 h后，断裂应变恢复至850%，自修复效率高达97.7%，而在自然太阳光下，自修复时间能够极缩短至0.5 h。这一自修复行为归功于聚合物网络中可逆二硫键和非共价氢键的协同作用。同时，在聚合物的驱动下，导电网络也实现了重构，因此传感器的电学性能也能实现高效修复，多次损伤-自修复循环后，电学性能基本上可以恢复初始数值。

图5 CNF/PU传感器实现人类全范围运动响应

  基于CNF/PU柔性应变传感器具有出色的传感性能，其能够同时监测剧烈的人体运动和微弱的生理信号。传感器可以紧密整合在不同人体部位上，如手指/膝盖、脉搏、面部等。当手指/膝盖逐渐弯曲时，每个位置的电阻值都相当稳定，多次施加弯曲释放动作时，传感器能够传递出清晰稳定、可重复的电信号，证实了其具有运动检测能力。另一方面，该传感器的高灵敏度允许其检测诸如脉搏等细微应变，在高分辨率图像中能清晰观察到脉搏的特征波型，这对于临床的疾病诊断将会提供帮助。

  原文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.2c20104